Размещено на http://www.allbest.ru/

Астрономический панорамный Стокс-поляриметр

Ю.С. Иванов

И.И. Синявский

Введение

Поляриметрические наблюдения важны для астрофизики. Они позволяют определять пространственную структуру вещества, магнитных полей, космической пыли, значения комплексного показателя преломления аэрозольных частиц в атмосферах планет, распределение их по размерам, относительное содержания аэрозоля. [1]. Поляризацию световой волны можно полностью описать четырьмя параметрами, известными как компоненты вектора Стокса. Авторами [2, 3] предложена концепция построения астрономического спектрополяриметра, в соответствии с которой был разработан прибор, используемый в Главной астрономической обсерватории (ГАО) НАНУ. Поляризация анализируется модуляционным методом, заключающемся в преобразовании её вращающейся фазовой пластиной в интенсивности лучей ортогональной поляризации. Но при ряде наблюдений космических объектов необходимо проводить измерения одновременно на большом поле зрения. Такие задачи могут решать изображающие поляриметры. В ГАО НАНУ разрабатывается изображающий поляриметр для малого телескопа Celestron, позволяющий измерять три параметра вектора Стокса одновременно.

1. Варианты построения Стокс-поляриметра

Существует несколько вариантов построения астрономических поляриметров, которые можно разделить по методу получения информации на: 1) поляриметры, основанные на делении падающего излучения на вход прибора по амплитуде, с применением вращающегося поляризационного элемента; 2) поляриметры, основанные на делении падающего излучения на вход прибора по амплитуде без вращающихся элементов; 3) поляриметры, основанные на пространственном разделении падающего излучения на вход прибора по апертуре.

Классическая схема поляриметра первого типа - вращающаяся фазовая пластинка и анализатор (как правило, двулучерасщепляющий элемент - призма Волластона, разводящая излучение на два пучка с ортогональными составляющими). Особенности поляриметров, основанных на таком методе, хорошо описаны в работах [4,5].

Анализ поляризации в таких поляриметрах производится модуляционным методом, который заключается в преобразовании её вращающейся фазовой пластинкой и поляризатором в интенсивности лучей ортогональной поляризации. Величина и фаза изменений интенсивностей несёт информацию о компонентах вектора Стокса.

В работе [6] описана схема построения фотополяриметра, позволяющего измерять четыре параметра вектора Стокса одновременно. Это достигается путём разделения входящего излучения светоделителем со специальным покрытием, расположенным до призмы Волластона, что позволяет разделять излучение на компоненты линейной и круговой поляризации. По такому принципу строятся поляриметры второго типа.

В национальном университете Ирландии разработан высокоскоростной изображающий Стокс-поляриметр (Galway Astronomical Stokes Polarimeter - GASP) для исследования быстрых (10-6с.) вариаций в астрономических объектах [7]. Поляриметр не имеет перемещающихся и вращающихся частей, все параметры вектора Стокса могут быть измерены за одну экспозицию. Однако указанный поляриметр по принципу построения оптической схемы не может обладать большой светосилой, имеет малое поле зрения и пригоден для наблюдения одиночных небесных объектов.

Третий тип поляриметров основан на делении апертуры. Схемы построения таких поляриметров приведены в работах [8, 9]. Авторы, на наш взгляд, не дали чёткого различия между вариантами построения поляриметров указанного типа.

Под делением апертуры мы будем понимать пространственное (как правило - секторное) деление выходного зрачка оптической системы, вблизи которого устанавливаются элементы, анализирующие характеристики излучения.

2. Оптическая система панорамного Стокс-поляриметра

В настоящей статье предложена концепция построения оптической системы Стокс-поляриметра, позволяющего проводить измерения трех компонент вектора Стокса одновременно, в широком поле и без ограничений по относительному отверстию системы. Предлагаемая схема также позволяет измерять все компоненты вектора путём введения в секторы зрачка пластин ?/2 и ?/4, но по специфике поставленных задач регистрация четвёртого компонента вектора Стокса в разработанном приборе не проводится.

Оптическая система прибора состоит из коллиматора, составного поляризационного элемента, системы разведения изображений, камерного объектива и приёмника изображений, а также сменных фильтров или дифракционной решётки .

На рис.1. показано сечение схемы по двум каналам (верхнему и нижнему).

Рис. 1. Оптическая схема Стокс-поляриметра: 1 - коллиматор, 2 - набор поляризаторов, 3 - плоскость выходного зрачка, 4 - система клиньев для разведения изображений, 5 - сменные фильтры или дифракционная решётка, 6 - камерный объектив, 7 - приёмник А - вид на зрачок с установленными по секторам четырьмя поляроидными плёнками

поляриметр модуляционный оптический дифракционный

Коллиматор.

Коллиматор прибора рассчитан таким образом, что, помимо выполнения своей основной функции, он строит исправленное изображение входного зрачка, а также исправляет полевые аберрации телескопа. Поскольку операции в выходном зрачке идентичны операциям во входном зрачке (т.е. на главном зеркале телескопа), такой приём чётко разделяет по функциям зрачки и люки системы. Оперирование полученными разделёнными переменными позволяет упростить систему и облегчить её расчёт.

Поляризатор.

Для анализа линейной поляризации необходимо выполнить четыре измерения интенсивностей излучения, прошедшего через линейные поляризаторы:

(1)

где I0, I90, I45, I-45, - интенсивности излучения соответственно с вертикальной и горизонтальной поляризациями, с поляризациями под углами 45? и -45?.

В описываемом приборе установлены четыре плёночных поляризатора с позиционными углами 0?, 45?, 90?, 135?. Схема такого мозаичного поляризатора, установленного вблизи зрачка телескопа, представлена на рис. 2.

Рис.2. Секторный анализатор Стокс-поляриметра

Ориентации поляризационных элементов: 1 - 0?, 2 - 90?, 3 - 45?, 4 - 135?

В общем случае, возможны различные варианты реализации таких модуляторов. Первый из них - применение пары двулучевых поляризационных призм [10], оптические оси которых развернуты под углом 45° и заполняющих секторы 1-2 и 3-4 соответственно, и имеющих эффективность близкую к 100%. Такая призма (Wedged double Wollaston) была предложена в работе [11]. Однако собственная дисперсия призм требует введения дополнительных компенсационных клиньев и всё же не может дать качественное изображение в большом поле зрения и широком спектральном диапазоне. Кроме того, дисперсия призм различна для двух ортогональных направлений распространения света, что приводит к неидентичности изображений.

В другом варианте такого поляризатора используются тонкие поляризационные плёнки. По сравнению с призмами плёнки проигрывают в прозрачности, но в широком поле зрения, при учёте виньетирования косых лучей на границе соприкасания призм, плёнки, имея меньшую толщину, выигрывают по сравнению с двулучепреломляющими призмами.

Таким образом, падающий поток разделяется на 4 составляющих (канала), которые необходимо развести в пространстве.

Система разведения изображений.

Для разведения четырёх изображений наблюдаемых объектов можно использовать четыре пары зеркал, установленных под определенными углами. Такая система не вносит хроматических аберраций, но громоздка, требует весьма тщательной юстировки и более пригодна для крупных телескопов. В описываемом приборе используется система отклоняющих призм, ахроматизированная в диапазоне 420-850 нм. Система состоит из двух склеенных клиньев из стёкол ОФ3 и БК10 в каждом канале (рис. 1, 3).

Рис. 3. Система разведения изображений: 1-подложка, 2-5 пары ахроматических клиньев для каждого из четырёх каналов

Камерный объектив.

Семилинзовый камерный объектив строит изображения исследуемого объекта одновременно в четырёх каналах (рис. 4). В диапазоне 420-850 нм для каждой точки в пределах поля зрения 15?x15? диаметр пятна, в котором концентрируется >95% энергии, не превышает 32 мкм, что соответствует 2 пикселям матрицы.

Рис. 4. Укладка изображений на приёмнике

Расчёт системы предусматривает возможность использования сменных фильтров или дифракционной решётки с частотой до 100 штрихов/мм, работающей на пропускание. Частота ограничена возможным наложением спектров соседних каналов.

Расчёты показывают, что при проведении наблюдений с максимально допустимым полем зрения в фокальной плоскости телескопа необходимо устанавливать диафрагму, препятствующую переналожению периферийных частей изображений соседних каналов, а для спектрополяриметрических наблюдений протяжённых объектов следует использовать узкую щель.

3. Лабораторное тестирование прибора

Описанный Стокс-поляриметр изготовлен и протестирован в оптической лаборатории ГАО НАНУ. Прибор монтировался на телескоп Celestron Celestron 91037-XLT. Проверены основные параметры и качество как отдельных оптических блоков (коллиматора, системы разведение изображений, камерного объектива), так и оптической системы прибора в целом.

На рис.5 показаны четыре изображения тест-объекта в фокальной плоскости Стокс-поляриметра. Более детально изображения тест объекта представлены на рис. 6.

Рис.5. Четыре изображения тест-объекта в фокальной плоскости Стокс-поляриметра

Канал 1 Канал 2 Канал 3 Канал 4

Рис. 6. Изображения тест-объекта в каналах Стокс-поляриметра

Заключение

Проведен обзор существующих схемных реализаций Стокс-поляриметров и предложена концепция панорамного изображающего Стокс-поляриметра, который может быть использован для наблюдений астрономических объектов с быстропротекающими процессами, в широком поле и без ограничений по относительному отверстию системы.

Коллиматор образует систему параллельных лучей, в которых могут быть установлены элементы, работающие только в слабосходящихся пучках (узкополосные интерференционные фильтры, дифрешётки и т.п.). В секторы разделённого зрачка может быть вставлена любая комбинация фильтров, фазовых пластин и дифрешёток. Например, описываемый панорамный поляриметр может быть оперативно (поворотом колеса со сменными элементами) преобразован в спектрополяриметр низкого разрешения.

При значительных полях зрения и широком спектральном диапазоне призмы Волластона не могут быть использованы как анализаторы без дополнительных коррекционных элементов.

Изготовлено несколько образцов предложенных Стокс-поляриметров и проведено их тестирование в оптической лаборатории.

Литература

1. Tinbergen J. Astronomical polarimetry New York: N.Y Cambridge University Press. 1996. 158 p.

2. Иванов Ю.С., Синявский И.И., Сосонкин М.Г. // Астроспектрополяриметры для слабых объектов Оптический журнал. 2006. Т.73. №12. С. 63-67.

3. Видмаченко А.П., Иванов Ю.С., Мороженко А.В., Неводовский Е.П., Синявский И.И., Сосонкин М.Г. Спектрополяриметр наземного сопровождения космического эксперимента "Планетный мониторинг" // Космічна наука і технологія. 2007. Т.13. №1. С.63-70.

4. Ramaprakash A.N., Gupta R., Sen A.K., Tandon S.N. An imaging polarimeter (IMPOL) for multi-wavelength observations // Astron. Astrophys. Suppl. Ser. 1998. Vol. 128. №3. P. 369-375.

5. Gandorfer A. M., Steiner P., Povel H. P., Aebersold F., Egger U., Feller A., Gisler D., Hagenbuch S., Sten?o, J. O. Solar polarimetry in the near UV with the Zurich Imaging Polarimeter ZIMPOL II // Astronomy and Astrophysics. 2004. Vol. 422. №2. P. 703-708.

6. Mudge J., Virgen M., Dean P. Near-infrared simultaneous Stokes imaging polarimeter // Proc. SPIE. 2009. Vol. 7461. P. 74610L-1- 74610L-6.

7. Collins P., Redfern R. M., Sheeha B. Design, Construction and Calibration of The Galway Astronomical Stokes Polarimeter (GASP) // AIP Conference Proceedings. 2008. Vol. 984. P. 241-246.

8. Tyo J. S, Goldstein D. L., Chenault D.B., Shaw J. A. Review of passive imaging polarimetry for remote sensing applications // Applied Optics. 2006 Vol. 45. №22. P.5453-5469.

9. Meriaudeau F., Ferraton M., Stolz C., Morel O., Bigue L. Polarization imaging for industrial inspection Proc. SPIE 6813. 2008. P. 681308-1- 681308-10.

Размещено на Allbest.ru